某下沉式道路隧道工程薄壁混凝土竖向裂缝产生的原区分析及其控制措施

施工技术与应用　日融团圜　某下沉式道路隧道工程薄壁混凝土竖向裂缝产生的原因　分析及其控制措施　关天发　江门市建设Ｔ程质量监督站　广东江门　ｌ　５２９０００　摘要：本文通过某下沉武道路隧道工程薄壁混凝土施工实例，从水化热导致内外温差、保水养护不＇３、边缘约束等方面介绍薄壁　－混凝土竖向裂缝产生的原因，并有针对性提出一系列预防和控制措施，确保混凝土构件的质量和使用安全。　关键词：薄壁混凝土结构；竖向裂缝；控制措施；下沉式道路隧道工程　１引言　随着我国城镇化进程的开展，市政基础设施工程大规模兴建，也带来了　一系列新的工程质量问题，其中大体积混凝土和薄壁结构混凝土裂缝质量问　题更为突出，越来越受到人民的重视和关注。裂缝的出现给人民带来结构安　全的担忧，同时会导致混凝土结构内钢筋腐蚀，影响结构的耐久性，直接威胁　结构的安全。本文通过某下沉式道路隧道工程的工程实例，从混凝土水化热、　边缘约束条件、内外温差、保水养护等方面探讨大体积和薄壁混凝土裂缝产　生和控制措施，寻求一些有效控制薄壁混凝土裂缝产生和发展的方法。　２工程概况　该下沉式道路隧道工程总长５４５ｍ。其中中间段闭口框架结构隧道采用　单箱双室闭口框架结构，顶板全宽２５．１ｍ，底板全宽２７．１ｍ，左、右净宽均为　１１．２５ｍ，顶、底板、侧墙厚均为１．０ｍ，中隔墙厚０．６ｍ，共５个节段，长１５５ｍ。两端　为开口Ｕ型框架结构隧道，断面全宽２４．１ｍ，侧墙顶部宽０．５ｍ，侧墙底部宽度随　墙商的增加从０．５ｍ变到１．２ｍ，底板厚度随墙高的增加从０．５ｍ变到１．２ｍ。底板　两侧脚趾随墙高外伸０．８～１．０ｍ，底板分别设置３５ｅｍ、５０ｅｍ厚Ｃ２０素混凝土压重　层，其上铺设９ｅｒａ厚沥青混凝土铺装层，底板下设２０ｅｒａ厚Ｃ１５砼垫层。共１２个　节段，长３９０ｍ。隧道主体结构采用Ｃ３０防水砼，抗渗等级为Ｐ８，压重层采用Ｃ２０　素砼，结构垫层采用Ｃ１５砼。　３现场情况勘察　中间段闭口框架结构隧道中间节段两侧侧墙混凝土浇筑七天后，拆除侧　模后外侧石屑回填至墙顶标高，内侧喷淋养护。该节段侧墙高１０ｍ，宽３０ｍ，厚　ｌｍ。养护至第十五天后，两侧侧墙内侧约每隔５ｍ出现一道竖向裂缝，裂缝宽　约ｌｍｍ，长２　５ｍ，基本出现在侧墙中部。养护至２５天左右，观测发现裂缝发展　迅速，两侧侧墙内侧约每隔２ｍ出现一道竖向裂缝，裂缝宽约１￣２ｒｎｍ，长度基　本延伸至墙脚和墙顶，约１０ｒｎ。养护２５天至养护期结束（养护４０天），裂缝ｆ事止　发展。养护结束后停止喷淋，两侧内墙内侧干燥后，发现距离墙脚底板约２～　３ｍ范围内的裂缝渗水，渗水量少。同时观测到长３０ｍ宽２５ｍ厚１ｍ的底板，采用　相同的Ｐ８一Ｃ３０防水砼，同样养护方式未出现裂缝。　４竖向裂缝发生的原因分析　中间段闭口隧道中间节段两侧侧墙内侧发现出现竖向裂缝后，项目部停　止后续混凝土侧墙施工，观测裂缝发展，并召开问题处理研讨会分析产生竖　向裂缝的原因。经过观测期的各项对比和推测，认为混凝土侧墙内侧竖向裂　缝的产生由以下几个主要因素导致：　４．１薄壁混凝土干缩引起裂缝　干燥收缩通常是混凝土停止养护后或者养护不当，在不饱和空气中失去　内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生不可逆收缩裂缝，随着相对湿度的降　低，水泥浆体的干缩裂缝增大。　该工程中间闭口段隧道中间节段两侧侧墙高１０ｍ，宽３０ｍ，厚１ｍ，厚宽比　１／３０，厚高／：￣ｌ／ｌＯ，本文认为属于薄壁混凝土。在混凝土养护过程中，调查组发　现几个关键点：一是浇筑混凝土的时间正好人秋，天气干燥，风力较大，穿堂　风影响明显；二是侧墙养护和底板养护虽同为人工喷淋保水养护，但是侧墙　保水性差，喷淋后混凝土表面很快干燥，养护工人多有不及时补充水分的情　况，而底板聚水，长时间浸泡在水中养护，基本不会出现失水产生干缩裂缝的　情况。综上所述两点，调查组认为侧墙混凝土养护措施不足以保证混凝土有　充足的水分，且薄壁混凝土表面积大，养护期间空气相对湿度低，加上穿堂风　风力大，迅速带走混凝土表面和内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生不可逆　的收缩裂缝。　４．２内外温差导致温度裂缝　内外温差导致混凝土开裂机理：混凝土是热性材料，浇筑后水化反应产　生热量，导致混凝土温度上升。混凝土又是热惰性材料，混凝土内部热量散发　比外部慢，以至于内部温度高于外表面温度，形成混凝土内外温差。温度差异　导致混凝土结构内外温度变形不一致，产生相对变形，表面产生拉应力，当拉　应力超越混凝土抗拉强度时就会产生裂缝。　该工程中间闭口段隧道中间节段两侧侧墙高１０ｍ，宽３０ｍ，厚ｌｍ，厚宽比　１／３０，厚高比１／１０，可认为属于薄壁混凝土，但是其最小尺寸为１ｍ，符合大体　积混凝土标准（ＯＢ　５０４９６—２００９大体积混凝土施工规范２．１　１），因此大体积　混凝土水化热导致的温度裂缝应列入质量问题分析的重要考虑对象。调查组　现场调查发现，施工单位重点对混凝土底板做了大体积混凝土降温措施，而　对侧墙的混凝土降温工作不够重视，侧墙降温冷水管埋设密度仅为底板的一　半。除此之外，项目部没有针对大体积混凝土施工采取其他保温和防裂措施。　４．３边缘约束条件导致应力裂缝　混凝土降温阶段，新混凝土的收缩变形受到老混凝土的约束而产生拉应　力，新旧混凝土间隔时间越长，温降幅度越大，约束作用越明显。且薄壁混凝　土受约束的长度方向尺寸越长，长度比厚度尺寸越大，约束作用导致的变形　累积越大，结构整体表现出来的拉应力越大，拉应力大于混凝土抗拉强度立　即产生应力裂缝，且裂缝出现多有表现为垂直于约束边缘和贯通厚度方向。　本工程质量调查组现场发现侧墙混凝土浇筑多在壁板混凝土浇筑完后　１Ｏ天以后，１Ｏ天时间底板混凝土强度基本形成，收缩趋于稳定，与新浇筑的侧　墙混凝土比较可视为老混凝土，且当时处于入秋时分，温降幅度偏大，约束作　用的影响比较大。混凝土受约束的方向长度为３０ｍ，收缩相对变形的累积较　大，由变形产生的拉应力也较大。因此，调查组将边缘约束条件导致应力裂缝　列为工程侧墙混凝土竖向裂缝产生的重要因素。　４．４施工原因造成裂缝　导致混凝土裂缝的施工原因有多种，主要有大体积混凝土施工无控制人　模温度、无严格控制混凝土浇筑速度、混凝土拆模时间控制不科学、施工缝留　置不科学等。调查组根据施工记录发现，侧墙混凝土一次浇筑到位，没有留置　施工缝；大体积混凝土施工没有人模温度记录。综上两点，调查组怀疑施工方　面原因造成裂缝可能主要是没有控制人模温度和没有留置施工缝导致。　５竖向裂缝控制措施　根据本工程质量问题调查组的调查分析，调查组综合以上四大因素提出　后续薄壁混凝土裂缝控制措施，并经后续侧墙施工验证了下列措施的有效性。　５．１改进养护措施控制干缩裂缝的产生　根据施工现场环境条件，为保证养护混凝土表面不失水干燥产生干缩裂　缝，项目部改人工喷淋保水养护为定量自动喷水养护，在侧墙顶部安装喷淋　水管，计算水分蒸发量和损耗量，得出总需水量，由控制开关控制喷水量。为　防止风量变化对混凝士表面水分影响和保持竖墙的保水量，项目部在侧墙外　表面铺设纤维毛毯来保持水分，使混凝土长期处于类似于底板的聚水养护，　从而避免了混凝土表面失水干燥产生裂缝。　５．２改进和增加大体积混凝土内外温差控制措施以控制温度裂缝的产生　为控制大体积混凝土内外温差，项目部根据现场情况采取以下控制措施：　５．２．１水管冷却技术是目前大体积混凝土温度裂缝控制中最常用和最有　效的措施之一，项目部从新计算冷却热量和冷却水管长度，加密侧墙冷水管　间距。并在混凝土浇筑养护期间加强对进出水温监控和混凝（下转第４３７页）　‘４３１‘　施工技术与应用　２．３．２本构模型选用　建筑工程中大多数土体为天然材料，在多相土体的影响下，土体结构的　力学性质也会受到干扰内容的影响，在非线性、非弹性围护结构的影响下，塑　性体的应变能力会干扰到工程各控制结构的关联性ｎ。　２．３　３土体强度指标　对于建筑工程深基坑设计，勘察工作对深基坑结构变形的监管能力最　影响结构数据进行分析和研究。计算深基坑围护结构、土体结构变形的预测　数据，按照变形程度进行分类，并制定相应的修复计划。由于施工操作的复杂　性，基坑施工中往往存在许多不可预料因素，基坑施工过程中的信息化监测　反馈也成为基坑设计施工方案调整或优化的依据。工程实践证明，要顺利完　成深基坑的施工，必须把握好基坑工程的各个环节，将勘察、设计、施工和监　测等各阶段工作有机结合【ｇＩ。　强，如果基坑周边环境复杂，则勘察部门必须利用工程施工经验改变设计参　量，所以应采取不同种类的实验方法，提高土体强度指标的实践应用价值。　结论：　通过上文对建筑工程深基坑变形控制内容进行系统分析和研究可知，深　基坑可以使建筑工程周边设施出现变形、开裂现象。因此，要想提高深基坑变　三、深基坑变形全过程控制解决对策分析　为提高工程施工效率，工程负责人经常会在深基坑建设过程中就采取相　形控制能力，首先应熟悉其变形干扰因素，其次利用模型结构分析其变形原　应的变形控制措施，控制开挖进度、结构设计内容以及材料质量等方面内容。　因，最后采用相关全程控制方法，提升设计单位、施工单位对深基坑变形的控　由此可见，在整个基坑变形控制流程中，变形控制管理是一项整体陛、技术综　制能力。　合性很强的管理内容，具体如下：　参考文献：　３．１工程勘察　勘察部门应对建筑工程的气候环境、地质环境、材料环境等内容进行系　统勘察，在了解整个基坑工程的情况下，完善结构设计思路，让每个施工环境　在功能上都起到一定的衔接作用。确定应力条件对创建开挖应力场具有深远　影响，与其他保护对象相同，初始应力在非水平土层的干扰下会形成多个施　工形态。在大背景框架施工体系的影响下，工程设计与施工内容应在同种发　展进程中运行。如土体抗剪能力、总应力强度、变形应力等，这些参量是深基　坑各保护结构设计的重要参数，　３．２深基坑设计与施工方面　［１］刘艳军，孙敦本．深基坑变形控制研究进展Ｕ］．四川建筑科学研究，２０１３，１２　（０９）：１１８—１２３．　【２］丁永春．软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究Ⅱ】．上海交通大学学报　（社会科学版），２０１３，１２（０９）：１１０—１２０．　【３】郑荣跃，曹茜茜，刘倩斌．深基坑变形控制研究进展及在宁波地区的实践Ⅱ】．　工程力学，２０１１，１３（０８）：１１９—１２３．　［４１李爱国基于监测信息的深基坑支护动态变形控制研究Ｕ］．河海大学学报　（社会科学版），２０１１，１３（０９）：１１８—１２３．　［５］刘杰．深基坑开挖优化设计与下穿地铁隧道变形控制研究Ｕ］合肥工业大学　学报（社会科学版），２０１０，１２（０９）：１０９—１１２．　【６］徐中华．上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究　上海交通大学学报，２０１３，１２（ｏ８）：１１０—１２３．　［７］昊晓江同站厅平行换乘地铁车站深基坑施工变形控制研究『Ｄ］．同济大学，　２０１３，１３（１２）：１２８－Ｉ３４．　【８】李振．复杂场地桩锚支护基坑变形性状及影响因素研究【Ｄ】重庆大学，　２０１３．１２（１２）：１１７－１２３　建筑工程开挖施工阶段是一个动态施工过程，所以采用连续介质分析法　可以精准的利用三维数值分析，估算基坑工程的变形因素、变化参量等，在有　限元分析法的帮助下，工程人员可以采用结构预测理论测算出周围地面因结　构变形而出现的沉降深度数值。无论是数值模拟还是变形控制管理，信息搜　集、处理、统计工作是必不可少的。　３．３监督管理　工程监督管理部门应按照国家规范要求，实时对建筑工程内各深基坑的　（上接第４３１页）土内外表面温度监控，确保内外温差在控制范围之内。　５．２．２混凝土表层加防裂钢筋网片是控制温度裂缝和收缩裂缝的有效措　施，项目部在侧墙竖向两侧混凝土钢筋保护层位置增￣Ｉ５ｃｍｘ５ｃｍ防裂钢筋网　片，增加混凝土整体的抗拉强度以抵抗混凝土温度应力和收缩应力，防止混　凝土开裂。　有产生裂缝。养护至２５天左右，观测发现两侧侧墙内侧约每隔５ｍ出现一道竖　向裂缝，裂缝宽约０．１～０．５ｍｍ，长度约２～５ｍ。养护结束后停止喷淋，两侧内墙　内侧干燥后，观测发现裂缝有少量渗水或不渗水。这些情况表明，采取的裂缝　控制措施后裂缝出现的数量大大减少，裂缝宽度得到有效控制，绝大部分裂　缝不是贯通裂缝而是表层裂缝，因此，这些控制措施能有效控制薄壁混凝土　竖向裂缝的产生。　５．２．３降低混凝土水化热是解决大体积混凝土温度裂缝的有效措施，水　化热的减少本质上是减少产生水化热的水泥的用量。具体措施有添加毛石以　减少混凝土中水泥用量、采用低水化热水泥配置混凝土，用部分粉煤灰代替水　泥等。根据工程实际情况，毛石混凝土浇筑施工难度大，添加粉煤灰对混凝土　强度和耐久性等产生不良影响，项目部综合考虑重新设计混凝土配合比，采用　低水化热水泥，使用添加剂等措施减少水泥用量，从而降低混凝土水化热。　６结论　（１）混凝土养护不当失水导致干缩裂缝的产生在薄壁混凝土结构施工　中产生竖向裂缝的重要原因，其处理的方式最为简单也最容易忽略，项目部　提高混凝土保水养护的意识对控制干缩产生竖向裂缝最为关键　５．３改进设计和施工组织控制边缘约束导致的应力裂缝产生　（２）薄壁混凝土结构型式单薄，下部结构约束作用明显，混凝土自身收缩　为控制边缘约束导致的应力裂缝产生，项目部将现场不利因素逐一解　和温度收缩都会产生较大的拉应力，而约束长度的增加则使收缩量的累积加　决。首先是从施工组织上缩短底板混凝土和侧墙混凝土浇筑的时间间隔，使　剧，进一步增大了收缩产生的拉应力。减少新旧混凝土之间的收缩约束和减　新老混凝土基本上同时收缩变形，从而减少新老混凝土互相约束的影响。然　少约束的长度则能有效减少收缩产生的拉应力，从而减少因边缘约束产生的　后就现场施工段长度过大情况向建设单位和设计单位反映，提出缩短施工段　应力裂缝。　长度的建议，让设计单位从施工图上变更缩短施工段长短，减少相对变形的　（３）混凝土内外温差产生温度裂缝是大体积混凝土永恒的问题，在薄壁混　累积量，从而缩小相对变形，减少变形产生的拉应力，有效控制边缘约束导致　凝土结构上产生的竖向裂缝与其也有千丝万缕的关系，通过使用冷却水管输出　的应力裂缝产生。　５．４改善施工措施预防施工原因造成裂缝　热量，控制水化热，增加防裂钢筋网片等措施都能有效控制温度裂缝的产生。　（４）根据薄壁混凝土结构的具体工程特点，采取针对性的控制措施，可以　本工程根据施＿Ｔ现场情况，部分地下水位不高的下沉隧道节段侧墙设置　有效控制其竖向裂缝的产生。　沿高度方向的水平施工缝，释放混凝土收缩的影响。同时做好混凝土入模温度　的记录，控制好混凝土人模温度，减少温差对混凝土的影响。混凝土浇筑措施　参考文献　则采取减少混凝土混凝土离析的措施，从而减少混凝土离析造成混凝土质量　［１１王振红，朱岳明，于书萍．薄壁混凝土结构施工期温控裂缝研究明西安建　问题，也减少骨料不均匀导致混凝土收缩不一致而加剧裂缝的产生和发展。　５．５增加措施后的改进效果　筑科技大学学报，２００７，３９（６）７７３—７７８　　ｌ２】周永元，朱耀台，钱晓倩．混凝土干缩的物理力学机制描述　施工技术，　２００５，３４，２１—２３．　采用以上控制措施后，混凝土养护至第十五天后，两侧侧墙内侧基本没　’４３７‘